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鄭州大學王建峰/王萬杰 ACS Nano：具有珊瑚狀多層次結構的雙模式輻射制冷/加熱多孔聚合物薄膜

2023-01-17 來源：高分子科技

制冷和供暖消耗的能源約占世界總能源消耗的一半，且在未來30年內制冷和供暖能耗預計還將分別增加83%和79%。常用的空調和集中供暖等傳統熱管理技術中，大面積的空間和無生命特征物體作為制冷/加熱對象消耗了大量能量，是一種嚴重的能源浪費，加劇了全球能源和生態危機。采用綠色可持續的制冷/加熱等熱管理技術對于緩解能源危機和減少溫室氣體排放至關重要。輻射熱管理，特別是不需要額外能量輸入的被動輻射制冷和被動輻射加熱，近幾年受到學術界和工業界的廣泛關注。被動輻射制冷通過大氣窗口（波長8-13 μm）將地表熱輻射傳輸到寒冷外層空間（~ 3 K），而對于全時段（尤其白天）被動輻射制冷材料而言，大氣窗口內的高發射率和太陽光譜內（波長0.3-2.5 μm）的高反射率是實現有效輻射制冷性能的關鍵。另外，被動輻射加熱通常基于低紅外發射（高紅外反射）材料反射人體或建筑等發射的熱輻射來減少熱損耗，實現零能耗的被動輻射加熱。被動輻射制冷/加熱材料已經取得很多重要進展，但是目前的被動輻射熱管理材料設計通常是靜態的，不適于動態的季節和天氣變化，會在寒冷的冬天造成不必要的制冷或在炎熱的夏天導致多余的加熱效果。因此，模式動態可切換的雙模式（制冷/加熱）被動輻射熱管理材料是實現高效全時段被動輻射制冷/加熱亟待解決的關鍵問題。

近日，鄭州大學材料學院王建峰副教授/王萬杰教授團隊通過相反轉法制備了具有豐富多層次珊瑚狀結構的多孔PVDF薄膜，并在薄膜表面修飾MXene涂層，制得具有全時段動態被動輻射制冷/加熱性能的雙模式PVDF/MXene多孔復合薄膜。該薄膜的制冷模式側（多孔PVDF側）太陽光反射率和中紅外發射率分別達到96.7%和96.1%，白天可實現低于環境溫度9.8°C的制冷效果，理論功率達到107.5 W/m²，夜間制冷效果為11.7°C，理論功率140.7 W/m²。而在MXene加熱模式側，薄膜的紅外發射率低至11.6%，可實現8.1°C的被動輻射加熱效果。此外，MXene涂層還具有高太陽吸收率（75.7%）和高導電性，賦予加熱側優異的太陽光加熱和焦耳加熱能力。該雙模式薄膜可以通過翻轉的形式在制冷和加熱模式之間輕松切換，可以應對多種復雜的制冷/加熱場景，為實現高效全時段動態被動輻射熱管理提供了一種可行策略。該研究以“Dual-Mode Porous Polymeric Films with Coral-like Hierarchical Structure for All-day Radiative Cooling and Heating”為題發表在最新一期的《ACS Nano》上（doi.org/10.1021/acsnano.2c07293）。

圖1.雙模式輻射制冷/加熱復合薄膜原理及制備示意圖

圖2.雙模式薄膜制冷側和加熱側的形貌和紫外-紅外吸收率/發射率

作者分別表征了雙模式薄膜制冷側和加熱側的紫外-紅外光譜反射率和透射率率。結果表明，多孔PVDF制冷側的太陽光反射率高達96.7%，大氣窗口發射率達到96.1%；MXene加熱側的太陽光吸收率達到75.7%，大氣窗口發射率為11.6%。

圖3. 雙模薄膜的被動輻射制冷性能

作者通過室外實驗裝置驗證雙模式薄膜的被動輻射制冷能力。結果表明，雙模式薄膜在制冷模式下表現出優異的全時段輻射制冷性能，白天和夜間分別能實現低于環境溫度9.8℃和11.7℃的制冷效果。此外，通過計算得到雙模式薄膜的理論制冷功率達到107.5 W/m²（白天）和140.7 W/m²（夜間）。

圖4.雙模式薄膜的被動輻射加熱性能

在加熱模式下，通過與純PVDF薄膜和裸露人工皮膚對比，雙模式薄膜加熱側的輻射加熱溫度達到了40.7℃，分別比多孔PVDF薄膜和人工皮膚高了5.2℃和8.1℃。覆蓋雙模式薄膜的房屋模型內實際溫度比裸露房屋1.2℃，覆蓋雙模式薄膜的人體手臂溫度比裸皮膚溫度高1.4℃。

圖5.雙模式薄膜的光熱、電熱以及多模式組合加熱性能

同時，雙模式薄膜加熱側由于具有較高太陽吸收率、低紅外發射率和高電導率而表現出優異的太陽光加熱和焦耳加熱性能。在光熱實驗中，與其他常見材料相比，雙模式薄膜加熱側的太陽光加熱溫度最高達到41.2℃，明顯高于其他材料。此外，施加安全電壓后，雙模式薄膜可被迅速加熱并達到穩定的溫度。室內外進行的多模式結合加熱實驗結果表明，被動輻射加熱、光熱和電熱三種加熱模式可進行自由切換。

圖6.室外雙模式薄膜的實際制冷和加熱性能

作者將雙模式薄膜的制冷側和加熱側分別覆蓋在汽車和房屋模型上，研究了室外雙模式薄膜在實物上的實際制冷和加熱能力。結果表明，在太陽輻照度為600 W/m²時，制冷側面覆蓋的汽車內部平均溫度為17.2℃，明顯低于裸車（29.0℃），顯示了薄膜的實際制冷能力。制冷側覆蓋的房屋模型內部平均溫度為13.9℃，而裸房模型的內部平均溫度為18.4℃，同時，被加熱面覆蓋的房屋模型內部溫度為31.3℃，雙模式薄膜可同時實現4.5℃的制冷能力和12.9℃的加熱能力。以上實驗結果表明，通過翻轉雙模式薄膜可實現輻射制冷和加熱模式的動態轉換，在空間/個人/建筑制冷和加熱等實際熱管理場景中具有很大的應用潛力。

該論文共同第一作者為鄭州大學材料學院碩士生石夢科、宋子凡、倪嘉浩，通訊作者為鄭州大學材料學院的王建峰副教授。研究得到國家自然科學基金、鄭州大學優秀青年人才創新團隊、中國博士后特別資助/面上基金、河南省重點研發與推廣專項、高分子材料工程國家重點實驗室開放課題等項目支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c07293

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（責任編輯：xu）

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